离子化技术保障半导体元器件的生产

作者:Denis Salesski 文章来源:MM《现代制造》 点击数:242 发布时间:2019-11-13
电子工业必须禁止高电压。在这一工业领域中消除静电的一种技术方法就是离子化技术。现代化的电离设备不仅有着很高的保护性能而且也有着很好的针对性和非常"温和"的保护方式。
离子化技术保障半导体元器件的生产

与半导体元器件打交道时始终存在着因ESD静电放电而损坏半导体元器件的风险。实践表明:这并不是孤立的个案。据有关专家估计:大约四分之一的半导体元器件损毁的原因都是ESD静电放电带来的恶果,而静电放电总是在同一地方发生。因为这样的损毁是一种系统性发生的事件,因此受静电放电影响的常常是若干个元器件,半导体元器件的高灵敏度是造成这种恶果的主要原因。人类释放的静电脉冲大约有3000 V,而像(砷化镓半导体的)二极管激光器、场效应晶体管和发光二极管之类的半导体元器件在5~30 V的反向电压作用下就已经损坏了。Mosfet金属氧化物半导体场效应晶体管和IGBT绝缘栅门极晶体管也同样十分脆弱。

Q离子发生器内置的传感器对离子平衡进行监控和调节,带正电荷的离子和带负电荷的离子同时抵达工件,工件上的最高电位峰值被限制在25 V以内
离子发生器内置的传感器对离子平衡进行监控和调节,带正电荷的离子和带负电荷的离子同时抵达工件,工件上的最高电位峰值被限制在25 V以内

损坏识别问题

通常情况下,受到ESD静电放电损毁的半导体元器件有着完全正常的功能,无法通过正常的产品检测手段检测出来。提前失效或者临界工作情况的失常,例如在高温环境、在极端潮湿或者快速的切换周期中出现问题是最典型的静电放电损坏情况。

由于受到静电放电损毁的半导体元器件可能在几天、几周甚至几个月之后才会在用户端发生故障,因此故障检验、故障诊断、仪器设备维修和可能带来的损失赔偿常常是元器件成本的数十倍。这就导致电子元器件的制造商和加工企业非常重视防静电,避免ESD静电损伤而不是修复,是企业追求的最终目标。

应用广泛的电离设备

“对于半导体元器件和绝缘仪器设备生产厂家来讲,最简单、最安全的办法就是利用现代化的电离设备防止静电损伤。”SMC德国公司Egelsbach市技术中心的Melanie Firll女士说。

为了测量、控制和消除静电,SMC公司提供了许多不同的仪器设备:从便携式的IZH系列测量仪到棒式、喷嘴式和吹风式的电离设备(IZS系列、IZN系列和IZF系列)直至IZD系列的静电清除盒和IZE系列的数字式静电检测仪。

图1 在测量过程中工作的离子发生器
图1 在测量过程中工作的离子发生器

棒式电离器最适合于清除平整表面上的静电。多种不同型号的棒式电离器可以在0.1 s的时间内将静电电压从1000 V降低到100 V。其中的IZT42型就是针对半导体工业领域而设计制造的。此类电离器采用了两套高频AC电源,这两个高频AC电源同时发射正离子和负离子。这就把作用在电子元器件上的最高电位峰值限制在25 V以内了。许多实际测试业已证明了这一点。这就能够非常温和的对像玻璃基板、微芯片一类对静电非常敏感的电子元器件进行静电防护了。在使用IZT41 / IZT42系列的离子发生器消除静电时,可以很好的连续监控和控制离子平衡,即到达电子元器件的离子云组成成分是可控的。在消除静电的过程中,离子发生器内置的传感器调节着正、负离子的平衡。

自动平衡传感器集成在高压电源模块中,可以安装在这一模块的任何位置处。它利用接地线监测离子发生器发射的离子量,进行离子平衡的监控。它根据消除静电的需要控制离子的发射速率,并始终保持着原始的离子平衡。

最高电位峰值和静电消除时间

IZT系列离子发生器的控制单元和高压电源是与离子发生器分开的。因此,与几乎相同的IZS系列的前一代机型相比较,其安装高度降低了60%左右,安装宽度缩小了35%。由于现代机床设备的安装空间越来越紧张,因此体积小的设备会在用户使用方面具有较大的优势。由于四个离子发生器可以用一个控制器控制,因此在一些特殊的应用场合中就可以节省三个控制器单元。

最高电位峰值和静电消除时间在离子发生器的设计中有着非常重要的作用。最高电位峰值指的是工件上的离子生产期间可能的电压峰值。静电消除时间反映的是去除静电的速度。这一速度取决于离子发生器与工件之间的间距以及压缩空气辅助装置的配置。另外,可以通过改变离子发生频率来优化静电消除时间。

在安装调试离子发生器时,这些数值必须与生产过程的速度或者传送带的输送速度保持协调、平衡。只有这样才能保证产生的静电电荷都被充分的消除掉了。此时,ESD破坏性静电放电防护技术规范可作参考。

SMC公司推荐的最有效间距为300  mm。通过离子云平衡的调整,即对到达物体的离子云平均值的调整可以扩大有效间距的。例如在压缩空气压力很高、时间差很大的情况下可以达到的有效间距为2 m。

利用PLC监控消除静电的效果

IZF41/42系列的离子发生器能够显示电压过高或者电极有污垢等问题。在调整、设置离子发生器的控制器时不需要使用任何工具,可以仅凭双手完成设置。数字式输出端允许连续性的监控现场静电的过程,允许与PLC可编程序控制器系统进行通信。安装使用这些型号的两种发生器时只需插头、插座的连接就可以了。离子发生器工作运行期间的维护保养成本很低。压缩空气可以有效的自动避免针状电极积留污垢;如果真的需要更换电极时,可以简单的取出、更换整个离子发生器电极组件。“离子发生器也可以选配硅电极。” Frill女士说,保证了在生产晶圆时不会有杂质掺杂到晶圆中。

简单的对抗静电的方法不适合在电子工业和半导体工业领域中使用。无论是接地或者是提供空气湿度都不是一种明智的选择。但是,采用现代化的离子技术就可以通过合适的措施确保有针对性、安全可靠以及温和的消除静电。